Design og implementering af en skræddersyet robot Manipulator for ekstra legemlige ultralyd

Summary

Dette papir introducerer udformning og gennemførelse af en skræddersyet robot manipulator for ekstra legemlige ultralydsundersøgelse. Systemet har fem grader af frihed med letvægts leddene foretaget af 3D udskrivning og en mekanisk kobling for sikkerhedsledelse.

Abstract

Med potentiale for høj præcision, smidighed og repeterbarhed, kan en selvstændig sporede robotic system være ansat til at hjælpe erhvervelse af real-time ultralyd. Dog er begrænset antal robotter designet til ekstra legemlige ultralyd blevet korrekt oversat til klinisk brug. I denne undersøgelse, vi sigter mod at bygge en skræddersyet robot manipulator for ekstra legemlige ultralydsundersøgelse, som er let og har en lille fodaftryk. Robotten er dannet af fem specielt formede links og skræddersyede fælles mekanismer for sonden manipulation, at dække den nødvendige vifte af bevægelse med redundante frihedsgrader til at sikre patientens sikkerhed. Mekanisk sikkerhed er understreget med en kobling mekanisme, til at begrænse den kraft, patienter. Design, den samlede vægt af manipulatoren er mindre end 2 kg og længden af manipulatoren er omkring 25 cm. Designet er blevet gennemført, og simulation, phantom, og frivillige undersøgelser er blevet udført, for at validere vifte af bevægelse, mulighed for at foretage finjusteringer, mekaniske pålidelighed og sikker drift af koblingen. Dette papir beskriver design og implementering af skræddersyede robot ultralyd manipulator, med design og montage metoder illustreret. Test resultater at vise designfunktioner og klinisk erfaring med at bruge systemet er præsenteret. Det konkluderes, at den nuværende foreslåede robot manipulator opfylder kravene som et skræddersyet system for ekstra legemlige ultralydsundersøgelse og har et stort potentiale til at blive oversat til klinisk brug.

Introduction

En ekstra legemlige robot ultralyd (USA) system refererer til konfigurationen i som en robot system er udnyttet til at holde og manipulere en amerikanske sonde til eksterne undersøgelser, herunder dens anvendelse i hjerte, kar, obstetrisk og generelle abdominal imaging¹ . Brugen af et sådant robotic system er motiveret af udfordringer manuelt holding og manipulere en amerikanske sonde, for eksempel, udfordringen at finde standard amerikanske synspunkter kræves af kliniske imaging protokoller og risikoen for gentagne pres skade^{2, 3,4}, og også af os screening programmer behov for eksempelvis kravet om oplevet sonographers for at være på stedet^5,6. Med vægt på forskellige funktionaliteter og target anatomiske, er flere amerikanske robotsystemer som gennemgået i tidligere værker^1,7,8, blevet indført siden 1990 ‘ erne, at forbedre forskellige aspekter af amerikanske eksamen (fx, langdistance teleoperation^9,10,11,12, samt robot-operatør interaktion og automatisk kontrol)^{13, 14}. ud over de amerikanske robotsystemer bruges til diagnosticeringsformål, robot højintensive fokuseret ultralyd (HIFU) systemer for behandling formål har været bredt undersøgte som sammenfattet af Priester et al. ¹, med nogle nyere værker^15,16 rapportering de seneste fremskridt.

Selvom flere amerikanske robotsystemer er blevet udviklet med forholdsvis pålidelig teknologi til kontrol og kliniske drift, er kun et par af dem blevet korrekt oversat til klinisk brug, såsom et kommercielt tilgængelige tele-ultralyd system ¹⁷. en mulig årsag er det lave niveau af accept for store industrielle udseende robotter arbejder i et klinisk miljø, fra både patienter og sonographers. Derudover for sikkerhedsledelse stole fleste af de eksisterende amerikanske robotter på force sensorer til at overvåge og kontrollere de anvendte tryk til amerikanske sonden, mens mere grundlæggende mekanisk sikkerhedsmekanismer til at begrænse kraften passivt ikke er normalt tilgængelig . Dette kan også forårsage bekymringer, når oversætte til klinisk brug som robot flyvesikkerheden ville være rent afhængig af elektriske systemer og software logik.

Med de seneste fremskridt i 3D kunne udskrivning teknikker, specielt formet plast links med skræddersyede fælles mekanismer give nye muligheder for udvikle skræddersyede medicinske robotter. Omhyggeligt designet lightweight komponenter med en kompakt udseende kunne forbedre kliniske accept. Specielt til amerikanske undersøgelse, bør en skræddersyet medicinsk robot sigter mod at blive oversat til klinisk brug være kompakt, med nok grader af frihed (DOFs) og vifte af bevægelse til at dække det pågældende område af en scanning; for eksempel, abdominal overfladen, herunder både toppen og siderne af bugen. Derudover bør robotten også omfatte evnen til at udføre fine justeringer af amerikanske sonden i et lokalområde, når de forsøger at optimere amerikanske udsigt. Dette omfatter normalt vippe bevægelser af sonden inden for et bestemt interval, som foreslået af Essomba et al. ¹⁸ og Bassit¹⁹. Yderligere tage sikkerheden alvorligt, forventes det, at systemet skal have passive mekaniske sikkerhedsfunktioner, som er uafhængige af elektriske systemer og software logik.

I dette papir præsenterer vi den detaljerede design og forsamling metode af en behændig robot manipulator 5-DOF, der bruges som en væsentlig del af en ekstra legemlige robot amerikanske system. Manipulatoren består af flere letvægts 3D-printable links, custom-made fælles mekanismer, og en indbygget sikkerhed kobling. Den særlige arrangement af DOFs giver fuld fleksibilitet for sonden justeringer, giver mulighed for nem og sikker drift i et lille område uden kolliderede med patienten. Den foreslåede multi-DOF manipulator sigter mod at arbejde som den vigtigste komponent, som er i kontakt med patienter og det kan blot knyttet til nogen konventionel 3-DOF global positionering mekanisme til at danne en komplet amerikansk robot med fuldt aktiv DOFs til at udføre en amerikanske scanning.

Protocol

1. forberedelse af hver Link, ende-effektor og yderligere komponenter Udskrive alle links (L0, L1, L2, L3og L4) og ende-effektor som vist i figur 1, med acrylonitril butadien styren (ABS) plast, polylactic syre (PLA) plast eller nylon, ved hjælp af en 3D-udskrivning service. Brug den. STL-filer leveres i Supplerende materialer , når du udskriver.Bemærk: Ændringer i form og omfang af hver del kan gøres …

Representative Results

Efter protokollen er den resulterende system en robot manipulator med fem specielt formede links (L0 -L4) og fem revolute leddene (J1 J5) til at flytte, holding og lokalt vippe en amerikanske sonde (figur 8). Den øverste rotation fælles (J1), med gear mekanismer aktiveres af fire motorer, kan rotere følgende strukturer 360 °, for at tillade amerikanske sonden pege mod forskellige sider af scanningsomr…

Discussion

I modsætning til mange andre industrielle robotter, der er blevet oversat til medicinske anvendelser, var den foreslåede robot manipulator beskrevet i protokollen specielt designet til amerikanske undersøgelser efter kliniske krav for vifte af bevægelse, anvendelse af kraft og sikkerhedsstyring. Letvægts robot manipulatoren, selv har en bred vifte af bevægelser tilstrækkelig for de fleste ekstra legemlige amerikanske scanning, uden behov for store bevægelser af den globale positionering mekanisme. Som den nærmes…

Materials

3D-printed link L0	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L1	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L2	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L3	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L4	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed end-effector	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
20-teeth spur gear	3D printing service	12	0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
18-teeth bevel gear	3D printing service	2	0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type A)	3D printing service	1	0.5 module, 6 mm face width, with mounting keyway, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type B)	3D printing service	2	0.5 module, 6 mm face width, with detent holes, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type C)	3D printing service	1	0.5 module, 6 mm face width, with mounting key, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
20-teeth long spur gear	3D printing service	1	0.5 module, 21.5 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
144-teeth bevel gear	3D printing service	1	0.5 module, 7 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
Bearing (37 mm O.D and 30 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	5	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (12 mm O.D and 6 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	2	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (32 mm O.D and 25 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	1	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (8 mm O.D and 5 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	2	Bearing size and supplier can be varied
Plastic/metal shaft (6 mm O.D, 70 mm long)	TR Fastenings Ltd., UK	1	e.g. Could be an M6 bolt and a nut
Plastic/metal shaft (5 mm O.D, 70 mm long)	TR Fastenings Ltd., UK	1	e.g. Could be an M5 bolt and a nut
Ball-spring pairs	WDS Ltd., UK	4	Numbers of ball-spring pairs could varied to adjust the triggering force of the clutch
Clutch covers	3D printing service	2	104 mm O.D, 5mm face width, 6 mm bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed shaft collar	3D printing service	1	35 mm O.D and 30 mm I.D, 8mm face width, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed end-effector collar	3D printing service	1	As shown in Figure 2, with the STL file provided
Small geared stepper motors	AOLONG TECHNOLOGY Ltd., China	14	Part number: GM15BYS; Internal gear ratio 232:1 or 150:1, all acceptable